毛慶福,孔 賀,魏全德,辛崇偉,田兆龍
(1.山東濟礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦,山東 濟寧 272155; 2.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司,山東 濟南 250002; 3.北京安科興業(yè)礦山安全技術研究院有限公司,北京 102299; 4.北京安科興業(yè)科技股份有限公司,北京 100083)
沖擊地壓是國內(nèi)井工煤礦開采中遇到的嚴重動力災害,具有突發(fā)性、瞬時性、巨大破壞性等特點。據(jù)不完全統(tǒng)計,截止到2016年全國范圍內(nèi)已有189處沖擊地壓礦井[1-3]。影響沖擊地壓災害發(fā)生的因素包括兩方面,一方面為地質(zhì)因素,即斷層分布、沖蝕帶、相變帶、火成巖侵蝕、大埋深、煤巖沖擊傾向性等;另一方面為開采技術因素,即工作面開采順序、終采線位置設計、區(qū)段煤柱設計、回采速度等[4,5]。國內(nèi)外眾多專家、學者對沖擊地壓的發(fā)生機理、監(jiān)測預警方法及防治技術開展了大量研究,取得了諸多有益的研究成果。例如,王恩元[6]為了定向測試煤巖體多向應力及其演化規(guī)律,研發(fā)了煤巖體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),分析了采場應力分布及演化規(guī)律。竇林名[7]針對煤礦沖擊礦壓的時空預測難題,進一步發(fā)展了微震多維信息的時空預測方法,實現(xiàn)了實時定量分析監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險狀態(tài)、具體危險區(qū)域及等級,為沖擊地壓預測預報提供了新的思路。崔峰[8]為研究沖擊傾向性頂板破斷及其能量釋放規(guī)律,采用微震監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了采動影響下微震事件分布特征與分布規(guī)律之間的關系研究,進而分析了礦壓對煤巖體能量積聚與釋放間關系,揭示了關鍵層破斷的誘沖機制。王書文[9]基于地震波運動學理論,通過CT反演間接反映煤層內(nèi)部應力分布情況,發(fā)現(xiàn)上覆巖層的斷裂失穩(wěn)下沉是造成工作面礦壓顯現(xiàn)的根源。齊慶新[10,11]基于煤礦沖擊地壓發(fā)生特點,分別從沖擊地壓發(fā)生機理、監(jiān)測預警技術、卸壓解危技術和標準體系方面詳細論述了沖擊地壓災害防治進展,提出了沖擊地壓防治的發(fā)展方向。潘一山[12,13]為提高沖擊地壓預測預報準確性,提出了通過監(jiān)測鉆孔過程中鉆桿推力、鉆桿扭矩與鉆屑量等鉆孔多參量指標變化規(guī)律來預測沖擊危險性的方法,豐富了鉆屑法預警和檢驗沖擊地壓的手段。何學秋[14]在總結(jié)我國煤礦典型動力災害預防基礎上,提出了煤礦典型動力災害風險精準判識及監(jiān)控預警新理念與關鍵技術,實現(xiàn)了煤礦典型動力災害前兆信息深度感知、風險精準判識及監(jiān)控預警的新模式新方法。上述研究成果為沖擊地壓礦井的現(xiàn)場防治提供了理論基礎和技術保障。但是,這些研究成果多為單一方法或手段,在大采深、厚煤層開采條件下,沖擊地壓監(jiān)測預警準確性仍不能滿足現(xiàn)場需要。本文以陽城煤礦3306工作面為例,開展了大采深、厚煤層復雜開采條件下沖擊危險區(qū)綜合判定方法研究,提出并實踐了“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法。
陽城煤礦位于山東省,屬于濟寧煤田。主采3煤層,3306工作面平均埋深878m,工作面傾斜長度為180m。工作面一側(cè)為采空區(qū),一側(cè)為實體煤,區(qū)段煤柱寬度為6m,煤層平均厚度7.2m,傾角23°~27°,煤體單軸抗壓強度為7.7MPa。3306工作面揭露多條斷層,最大落差為30m,在大采深及斷層構(gòu)造影響下工作面開采具有較高的沖擊危險性。3306工作面位置如圖1所示。
圖1 3306工作面位置示意圖
3306工作面回采至DF34斷層時,工作面處于“大見方”影響區(qū)內(nèi),采動影響下高位頂板的斷裂、運動增加了工作面沖擊危險性,針對上述問題,在總結(jié)前期沖擊地壓監(jiān)測預警手段的基礎上,提出了“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法,其沖擊地壓防治流程如圖2所示,并在3306工作面應用,為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。
圖2 基于靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測的沖擊地壓防治流程圖
1)CT反演主要是利用地震波射線對工作面的煤巖體進行透視,根據(jù)速度場的大小,進而確定工作面范圍內(nèi)應力場分布情況。潘俊鋒[15]基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估原理,通過理論研究,以電磁波CT探測系統(tǒng)為平臺,建立了能夠劃分近場圍巖沖擊危險區(qū)域及危險等級的電磁波CT評估方法,為沖擊地壓治理提供了更為準確依據(jù)。
2)微震監(jiān)測主要是利用拾震器接收到同一震動波過程中存在的時間差,在特定的波速場下對震源位置進行定位計算,確定微震事件震源位置,同時利用震相持續(xù)時間計算微震事件發(fā)生過程中釋放的能量,并最終確定震源基本信息,指導礦井生產(chǎn)。李旭東[16]綜合采用震動場-應力場聯(lián)合監(jiān)測技術,通過微震監(jiān)測手段實現(xiàn)了采動影響下工作面超前支承壓力影響范圍監(jiān)測,為工作面超前支護設計提供指導。
3)應力監(jiān)測是通過監(jiān)測煤體應力變化,并基于應力變化與鉆屑量的“當量”關系進行沖擊地壓預警。曲效成[17]等基于當量鉆屑理論,通過理論研究和裝備開發(fā),研制了KJ550煤礦沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了沖擊地壓危險區(qū)及危險程度的在線監(jiān)測。
文獻[18]研究表明:與厚煤層分層開采相比,放頂煤開采對工作面采場圍巖的擾動范圍大,超前支承壓力峰值位置前移,且應力集中系數(shù)較高。由于采動影響下綜放工作面前方支承壓力峰值向工作面前方轉(zhuǎn)移,造成工作面見方與斷層地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)疊加,沖擊危險性增加,因此,為提高工作面沖擊地壓監(jiān)測預警準確性,陽城煤礦3306工作面實踐了以“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法,不僅提高了沖擊地壓監(jiān)測預警準確性,而且提高了現(xiàn)場防治區(qū)域的針對性。
針對3306工作面“大見方”期間沖擊危險性增加的工程難題,陽城煤礦在工作面進入“大見方”前200m實施了CT超前應力探測,得到了工作面超前區(qū)域應力分布情況,如圖3所示。由圖3可知,工作面軌道巷應力集中區(qū)存在4處,分別為工作面前方約30~50m、80~100m、130~140m和180~200m范圍,且工作面前方30~50m范圍應力集中程度最高。工作面運輸巷側(cè)應力集中程度相對較低。
圖3 CT反演揭示的工作面超前應力集中區(qū)
針對CT探測的應力集中區(qū),采用了震動場-應力場聯(lián)合監(jiān)測方式對沖擊危險區(qū)進行動態(tài)監(jiān)測。通過微震監(jiān)測發(fā)現(xiàn),工作面軌道巷側(cè)微震事件活躍程度高于工作面運輸巷側(cè),主要表現(xiàn)為事件分布明顯集中于工作面軌道巷側(cè)且大能量事件較工作面運輸巷側(cè)多。基于微震監(jiān)測的震動事件平面分布約為工作面超前180m范圍。基于震動-應力場聯(lián)合監(jiān)測的結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 微震監(jiān)測手段下震動事件分布平面圖
圖5 工作面兩巷相對應力監(jiān)測柱狀圖
通過對比工作面兩巷相對應力監(jiān)測情況發(fā)現(xiàn),工作面軌道巷側(cè)應力高于工作面運輸巷側(cè),且在工作面軌道巷工作面前方40m、80m、135m和185m出現(xiàn)4處鉆孔應力值較高,應力值分別為10.49MPa、8.04MPa、7.37MPa和6.84MPa,且工作面前方40m處測點應力值最大,已達到黃色預警,與CT探測和微震監(jiān)測結(jié)果基本一致。
針對靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測聯(lián)合確定的沖擊地壓危險區(qū),陽城煤礦施工了7組鉆屑檢驗鉆孔對沖擊地壓危險區(qū)進行驗證,施工位置分別為工作面前方30~50m、80~100m、130~140m、180~200m范圍,鉆檢間距10m,應力集中區(qū)鉆屑量曲線如圖6所示。由圖6可知,7組鉆屑孔均未出現(xiàn)鉆屑量超標情況,但鉆孔鉆進過程中均出現(xiàn)了動力顯現(xiàn),表現(xiàn)為吸鉆,吸鉆位置主要集中在鉆孔孔深7~13m范圍內(nèi)。因此,根據(jù)鉆檢結(jié)果判斷,工作面前方30~50m、80~100m、130~140m、180~200m存在沖擊地壓危險。
圖6 應力集中區(qū)鉆屑量曲線
基于“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”的沖擊危險區(qū)綜合判定可知,工作面軌道巷工作面前方30~50m、80~100m、130~140m和180~200m范圍存在沖擊地壓危險,需采取解危措施。
陽城煤礦針對確定的沖擊地壓危險區(qū),制定了大直徑卸壓鉆孔解危措施和危險區(qū)限員管理措施。卸壓解危參數(shù)為孔徑125mm,鉆孔深度20m,鉆孔間距1m,施工范圍為危險區(qū)及前后各10m區(qū)域。施工結(jié)束后,經(jīng)鉆屑檢驗,未出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、煤粉超標等,經(jīng)檢驗確認安全后,工作面恢復生產(chǎn),并降低了該區(qū)域推采速度,實現(xiàn)了該區(qū)域的安全生產(chǎn)。回采工作面及兩巷超前300m范圍內(nèi)嚴格執(zhí)行限員管理。
1)針對大采深、厚煤層開采沖擊地壓監(jiān)測預警準確性尚不能滿足現(xiàn)場需要的技術難題,提出了“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法。該方法可以更加準確地劃分沖擊危險區(qū),為現(xiàn)場針對性地采取卸壓解危措施提供了依據(jù),提高了沖擊地壓防治效率。
2)“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定沖擊地壓危險區(qū)的方法雖然在現(xiàn)場實踐中起到了良好的效果,但是,更加準確的危險區(qū)域劃分方法、臨界預警指標等仍需進一步優(yōu)化。